Základy koloidní chemie
verze 2013
Disperzní soustava směs nejméně dvou látek (složek) Nejběžnějšími disperzními soustavami jsou roztoky, ve kterých složku, která je ve směsi v přebytku, nazýváme rozpouštědlo (disperzní prostředí) a ostatní složky rozpuštěné látky (disperzní podíl)
Disperzní podíl částice různé velikosti desetiny nm až stovky nm jednotlivé molekuly nebo ionty (velikost v desetinách nm) makromolekuly (organické nebo anorganické, od cca 1 nm až stovky nm) shluky částic nebo krystality
Disperzní podíl shluky částic vzájemně držené van der Waalsovými silami (kapky kapaliny, bubliny plynů nebo shluky makromolekul) krystality nebo amorfní tuhé fáze tuhé fáze s klasickými vazbami krystaly oxidu titaničitého krystality zlata
Pravý roztok částice disperzního prostředí (rozpouštědla ve formě molekul) a disperzního podílu (rozpuštěné látky ve formě molekul nebo iontů) jsou prostoupeny na molekulární úrovni pravé roztoky jsou termodynamicky stabilní systémy a neexistuje v nich mezifázové rozhraní (homogenní soustavy)
Koloidní roztok velikost částic disperzního podílu dolní hranice cca 1 nm horní hranice 300 až 500 nm větší částice hrubé disperze přechod mezi pravým a koloidním roztokem není ostrý
částice disperzního podílu jsou tvořeny nepravidelnými shluky (asociáty, aglomeráty) základních stavebních částic, mezi nimiž se uplatňují významné soudržné síly rozdíl mezi atomy na povrchu a uvnitř částice
fázové rozhraní
systémy termodynamicky nestabilní
Charakteristické vlastnosti koloidních roztoků rozptyl světla Tyndallův efekt koagulace schopnost vylučování disperzního podílu jako sraženiny působením vnějších vlivů sedimentace disperzního podílu polydisperzita systému disperzní podíl je ve formě částic různých velikostí
Sedimentace Stokesův vztah 1 (ρ2 – ρ1) . g . d2 v= . 18 η ρ1, ρ2 ... hustoty disperzního podílu a disperzního prostředí g ... normální tíhové zrychlení d ... průměr částice η ... viskozita kapalné fáze
Rychlost sedimentace d 100 m 10 m 1 m 100 nm 10 nm
v [m . s-1] 1 . 10-2 1 . 10-4 1 . 10-6 1 . 10-8 1 . 10-10
Sedimentace 1 m 100 s 2,8 hod 11,6 dne 3,2 roku 320 roků
voda (1 . 10-3 Pa.s, 1 . 103 kg . m-3) kalcit (2,8 . 103 kg . m-3) v = 1 . 106 . d2 v [m. s-1], d [m]
Sedimentační rovnováha sedimentace u velmi malých částic pomalejší, difúze proti sedimentačnímu pohybu, ustaví se rovnováha
Ultracentrifuga dosahuje 2 . 105 g (poloměr 5 cm, 103 otáček za minutu) 100 nm 10 nm
2 mm . s-1 0,02 mm . s-1
Brownův pohyb u částic pod cca 4 m chaotický tepelný pohyb v důsledku nárazů molekul do částice (1020 nárazů za vteřinu)
Membránové separační procesy Dialýza – odstraňování nízkomolekulárních složek polopropustnou membránou Elektrodialýza – urychlení elektrickým polem Ultrafiltrace a mikrofiltrace – podle průměru pórů, membrány
Další důsledky • Reologie vliv na viskozitu, hlavně u organických polymerů, stanovení molekulové hmotnosti, různě nepravidelné chování (nenewtonovská kapalina, tixotropie apod.) • Rozptyl světla využití na stanovení velikosti a vlastností částic
Příprava koloidních roztoků dispergací částic disperzního podílu (mícháním, třepáním, ultrazvukem, elektrickým obloukem) v disperzním prostředí vznik částic chemickými nebo fyzikálními procesy přímo v roztoku hydroxidy úpravou pH koloidní zlato redukcí rozpuštěných solí polymerace nebo polykondenzace monomerů
Koloidní částice podle struktury částic rozlišujeme koloidy fázové submikroskopické krystalky většinou anorganických látek koloidy molekulové makromolekuly koloidy micelární shluky částic, které mají difilní charakter, například mýdla
Micelární koloidy roztoky nízkomolekulárních látek s difilním charakterem (část molekuly je polární - hydrofilní, část nepolární - hydrofobní)
Micelární koloidy Micelární koloidy tvoří při nízkých koncentracích pravé roztoky, při vyšších koncentracích se částice shlukují (agregují) do útvarů koloidních rozměrů - micel
Mýdlo Sodná nebo draselná sůl vyšších mastných kyselin, obecný vzorec RCOONa, kde R je delší uhlovodíkový zbytek. Ve zředěných vodných roztocích mýdla disociují na ionty Na+ a RCOO-
Kritická micelární koncentrace KMK
KMK
c
• nižší koncentrace pravý roztok • vyšší koncentrace tvorba micel
iontové micely
neutrální micely (laminární)
Solubilizace Schopnost převádět do roztoku látky, které jsou v čisté vodě jen velmi málo rozpustné. Dochází k ní až nad KMK a proces je podmíněn přítomností micel.
solubilizace látky ve vodě nerozpustné
solubilizace látky ve vodě částečně rozpustné
solubilizace látky ve vodě rozpustné
Koagulace spojování koloidních částic a jejich následné vypadávání z disperzního prostředí (sedimentace) Koagulace může být vyvolána: a) mechanickým namáháním b) změnou teploty c) účinkem záření (světelného, UV, RTG) d) ultrazvukem, el. proudem e) přídavkem koagulačního elektrolytu
